本文回顾了碳纳米管（CNT）和石墨烯（Gr）增强铜基复合材料的研究进展，探讨了这些复合材料的制备方法、性能提升机制及潜在应用前景。CNT和Gr因独特的物理化学特性，作为铜基复合材料的理想增强相，显著提升了材料的力学性能、导电性和热导率。首先回顾了铜基复合材料的传统制备技术，包括粉末冶金法和机械合金化法，随后介绍了新兴的化学气相沉积（CVD）和电沉积法，这些技术通过直接生长或电化学沉积实现更好的界面结合。对比分析了不同方法的优缺点，指出粉末冶金和机械合金化的成本较低但可能引起增强相分布不均，而CVD法虽能制备高质量材料但成本较高且环境影响敏感。进一步分析了CNT和Gr在铜基体中的分散性及界面结合对性能的影响，强调了良好分散性和强界面结合的重要性。在力学性能方面，CNT和Gr的分散性和界面结合对复合材料的强化机制起着关键作用，包括载荷转移、晶粒细化和Orowan强化等。此外，讨论了CNT和Gr增强铜基复合材料在耐腐蚀性、磨损性能及热管理等方面的应用潜力。尽管存在挑战，但这些复合材料在电力传输、电子器件和航空航天等领域显示出巨大应用前景。未来的研究将集中于微观结构控制、制备工艺创新和多功能复合材料开发，以实现更高性能的工业应用。

铜基复合材料因卓越的导电性、良好的热传导能力和优异的机械性能，在众多工业领域中扮演着重要角色。随着科技的进步，对材料性能的要求越来越高，尤其是在电力传输、电子器件和航空航天等领域，对材料的强度、导电性和热稳定性等性能提出了更高的要求。为了满足这些要求，研究人员通过引入碳纳米增强相提高铜基复合材料的综合性能。碳纳米增强相包括：1）零维碳纳米相。如碳微球（carbon microspheres，CMS）、富勒烯（C60和C70）、碳纳米洋葱（carbon nano-onions，CNO）等，它们具有球形实心或空心结构以及多尺度的空间分布特点。2）一维碳纳米相。主要包括碳纳米管（carbon nanotubes，CNT）和碳纳米纤维（carbon nanofibers，CNFs），它们在两个维度上是纳米级的，具有较大的长径比和比表面积。3）二维碳纳米相。如石墨烯（graphene，Gr），是由单层碳原子通过sp2杂化形成的二维材料，具有高比表面积、高比强度和比模量以及优异的电子、声子传输能力。4）三维碳纳米相。如三维网络状的石墨烯或石墨烯泡沫，它们通过在三维空间中形成多孔或网络状结构来增强材料的力学性能和热/电传输性能。5）多维度碳纳米相。通过将不同维度的碳纳米材料进行组合，如将一维的CNT与二维的Gr结合，形成混合维度的增强相，以获得更好的协同增强效果。

CNT和Gr具有独特的物理和化学性质，被认为是铜基复合材料中理想的增强相。CNT具有极高的强度和模量，而Gr则以卓越的导电导热性闻名。这些增强相的引入不仅可以显著提高铜基材料的力学性能，还能够在一定程度上维持甚至提升其导电性能。

Gr和CNT作为增强体增强铜基复合材料时，具有一些相似之处，但也存在显著的差异。其相同点有：1）高电导率。Gr和CNT都具有比铜更高的电导率，都是提高铜材料电导率的理想增强体。2）增强效果。它们都能有效增强铜基复合材料的力学性能，如强度和韧性。3）增强导热性能。Gr和CNT都具有优异的热传导性能，可以提高铜基复合材料的热导率。4）Gr和CNT都以弥散强化纳米相的形式存在铜基体中，且都存在难分散和润湿性差的问题。它们的不同点有：1）结构差异。Gr是由单层碳原子构成的二维材料，而CNT是具有一维纳米尺度的管状结构。2）界面结合差异。Gr与铜基体的界面结合可能因为Gr的二维平面结构而面临挑战，而CNT因具有管状结构可能更容易与铜基体形成有效的机械锁合。3）制备工艺。Gr的引入可能因为结构破坏或官能团的引入而导致电导率降低，而CNT的引入可能更易于保持其本征电导率。4）导电模式。Gr/铜复合界面的电导能力可能因为晶格失配和界面结合方式而受影响，而CNT可能因为与铜基体的特定晶格位相关系而具有更高的导电能力。5）增强机制。Gr的增强机制可能涉及细晶强化、载荷传递和固溶强化，而CNT可能更多地依赖于其高长径比带来的增强效果。尽管CNT和Gr增强铜基复合材料的研究已经取得了显著进展，但在界面结合、纳米材料的均匀分散以及成本效益等方面仍存在挑战。此外，这些复合材料的潜在应用，如在电力和电气系统中的使用，也亟须进一步的研究和开发。

本文旨在总结近年来CNT和Gr增强铜基复合材料的研究进展，包括制备方法、性能提升机制以及潜在的应用前景。首先回顾铜基复合材料的基础知识和纳米材料的特性，然后阐述CNT和Gr的引入技术及其对铜基复合材料性能的影响。接着，探讨复合材料的微观结构、力学性能、电学和热学性能，以及特殊功能和应用。最后讨论当前研究面临的挑战和未来研究方向，以期为这一领域的研究者提供有价值的信息和启示。

图1 C-PNTs/Cu复合材料制备示意图

图2 CNT/Cu复合材料的网络约束示意图

图3 Gr/铜多层复合材料的（a）低倍和（b）高倍SEM图像

图5 铜包石墨复合材料的摩擦学性能

图6 Si@Cu/CNT/rGO制备流程图

图7 超声辅助电沉积制备的Gr增强铜基复合材料的结合界面：（a）GO/Cu复合箔的TEM图像；（b~c1）GO/Cu复合材料界面区的HRTEM图像及其对应的快速傅里叶变换（FFT）和逆傅里叶变换（IFFT）图像；（c）界面无序区；（d）界面附近的位错和（e）无序区示意图；（f~i）界面附近元素分布图

1）纳米复合材料的微观结构控制：未来的研究可能会集中在更精确地控制CNT和Gr在铜基体中的分布和取向。通过优化复合材料的微观结构，可以获得更好的力学性能、电导率和热导率。Gr氧化物功能化CNT混合增强铜基复合材料的制备，证实了通过微观结构调控来改善材料性能的可能性。 

CNT和Gr增强铜基复合材料的研究正朝着微观结构控制、制备工艺创新、界面工程深入研究、多功能复合材料开发和应用驱动研究等方向发展。这些趋势和创新点将推动材料科学的进步，并为工业应用提供更高效、更经济、更可靠的解决方案。未来的研究将继续探索新的高强高导铜基材料和器件的设计和制备方法，以满足日益增长的材料性能需求。

通信作者：冯晶，男，昆明理工大学材料科学与工程学院院长、博士生导师。2014年哈佛大学归国学者，国家级人才。曾获杰出青年科学家奖、中国五四青年奖章、中国建筑材料科学技术一等奖、中国发明协会创业成果一等奖、美国陶瓷协会杰出贡献奖等。目前主要从事超高温热障涂层材料的研发、制备及应用研究。累积发表论文300余篇，包括Prog Mater Sci、Nat Commun、J Am Chem Soc、Acta Mater、Phys Rev B等；担任J Adv Ceram、Rare Metals、J Rare Earth、J Eur Ceram Soc、J Am Ceram Soc，《铜业工程》等十余种学术期刊编委。